A novel single-stage process integrating simultaneous COD oxidation, partial nitritation-denitritation and anammox(SCONDA) for treating ammonia-rich organic wastewater

一種新型單級工藝集成同步COD氧化、部分亞硝化-反亞硝化和厭氧氨氧化(SCONDA)處理富氨有機廢水

來源：Bioresource Technology, Volume 254, 2018, Pages 50-55

《生物資源技術》，第254卷，2018年，第50-55頁

 

摘要

摘要部分闡述了研究成功將同步COD氧化、部分亞硝化、反亞硝化和厭氧氨氧化(SCONDA)集成到一個單級序批式生物膜反應器中，用于處理碳氮比(C/N)為3的富氨有機廢水。結果顯示，通過SCONDA實現了94.3%的COD去除率、92.6%的NH4+-N去除率和88%的總氮(TN)去除率。高通量測序分析進一步揭示了微生物群落主要以異養細菌（如Thauera、Azovibrio、Ohtaekwangia、Azospira）、自養細菌（如Nitrosomonas）和未分類的厭氧氨氧化菌為主，這些對COD和氮去除至關重要。在低溶解氧(1.3 mg/L)下，功能物種在分層生物膜中的空間分布對SCONDA成功至關重要。集成的SCONDA系統有望為高氨有機廢水的高級氮和有機物去除提供有前景的替代方案。

 

研究目的

研究目的是開發一種新型單級SCONDA工藝，用于處理高氨氮有機廢水，并評估其性能、微生物群落和氮去除機制，以解決高C/N比廢水處理中厭氧氨氧化菌被異養反硝化菌競爭抑制的問題，實現高效同步去除COD和氮。

 

研究思路

研究思路通過實驗室規模的序批式生物膜反應器(SBR)進行，反應器填充聚氨酯泡沫 cubes，在低溶解氧(1.1-1.3 mg/L)下操作。實驗分為四個階段，逐步增加進水NH4+-N濃度（從100 mg/L到300 mg/L）并調整水力停留時間(HRT)，以抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB)并促進部分亞硝化。定期監測COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N濃度、溶解氧和微生物群落。使用丹麥Unisense微電極測量生物膜中氧分布，并通過高通量測序分析微生物群落結構，以揭示SCONDA過程的機制。

 

測量的數據及研究意義

1 測量了COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N濃度變化及去除效率，數據來自Fig. 2a。研究意義是驗證SCONDA工藝的有效性，顯示高去除率（COD 94.3%、NH4+-N 92.6%、TN 88%），表明系統能同步處理有機和氮污染物，為高C/N廢水處理提供實踐依據。

 

2 測量了微生物群落結構和優勢菌群，數據來自Fig. 3a和Fig. 3b。研究意義是揭示異養細菌（如Thauera、Azovibrio）、自養細菌（如Nitrosomonas）和厭氧氨氧化菌的共存，這些菌群分別負責COD氧化、部分亞硝化和厭氧氨氧化，支持SCONDA的多功能集成。

 

3 測量了溶解氧在生物膜中的分布剖面，數據來自Fig. 4。研究意義是確定好氧、缺氧和厭氧層的深度（約800μm），顯示氧分層如何支持不同微生物活動（如好氧層COD氧化、缺氧層反亞硝化、厭氧層厭氧氨氧化），優化工藝條件。

 

4 測量了系統性能與其他單級厭氧氨氧化系統的比較數據，數據來自Table 2。研究意義是突出SCONDA在高C/N比（=3）下的優勢，顯示更高氮負荷率和去除效率，為工藝選擇提供參考。

 

結論

1 SCONDA工藝能高效同步去除COD和氮，在C/N=3下實現高去除率，證明其處理高氨有機廢水的可行性。

2 微生物群落以異養細菌、氨氧化細菌和厭氧氨氧化菌為主，它們的空間分布和共存是SCONDA成功的關鍵。

3 低溶解氧(1.3 mg/L)和生物膜分層確保了功能物種的活性，抑制了NOB，促進了部分亞硝化和厭氧氨氧化。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧微電極測量生物膜中溶解氧分布數據的研究意義在于精確量化氧在生物膜中的微剖面，從而揭示好氧、缺氧和厭氧層的形成和深度。在研究中，電極測量顯示在800μm生物膜中，氧濃度從表面到內部逐漸降低，定義了好氧層(>0.5 mg/L)、缺氧層(0.1-0.5 mg/L)和厭氧層(<0.1 mg/L)，這種分層結構（如Fig. 4所示）直接支持了SCONDA過程：好氧層促進異養細菌進行COD氧化和氨氧化細菌進行部分亞硝化，缺氧層允許異養反硝化菌進行反亞硝化，厭氧層為厭氧氨氧化菌提供理想環境。這確保了多種微生物在低溶解氧下的協同作用，優化了氮去除路徑，減少了亞硝酸鹽積累和溫室氣體排放。此外，電極數據幫助驗證操作條件（如DO控制）的有效性，為工藝設計和放大提供關鍵參數，強調了微電極技術在環境生物過程研究中的高分辨率和實用性。